螺旋板式換熱器失效分析

發(fā)布時(shí)間：2009-12-6 瀏覽：2803

       吳學(xué)綱,張玉福,鐘彥平,郭志軍,劉躍軍,張曉松摘要:通過對(duì)開裂的螺旋板換熱器進(jìn)行分析檢驗(yàn)認(rèn)為,介質(zhì)中大量的Cl -和Fe3 +導(dǎo)致不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂是換熱器失效的主要原因。關(guān)鍵詞:板式換熱器;不銹鋼;應(yīng)力腐蝕;失效

　　螺旋板式換熱器是一種高效換熱設(shè)備,目前在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)已得到廣泛使用。某公司1臺(tái)換熱面積為200 m2的螺旋板式換熱器,投入運(yùn)行僅18 d就發(fā)生了泄漏,泄漏主要發(fā)生螺旋板焊縫上。該換熱器制造材料為1Cr18Ni9Ti ,其工藝操作參數(shù):熱側(cè)介質(zhì)為轉(zhuǎn)換反應(yīng)氣(其中含CO、CO2、H2、H2S、水蒸氣和甲醇) ,進(jìn)口溫度240℃,出口溫度90～100℃,最高工作壓力1. 2MPa ;冷側(cè)介質(zhì)為甲醇、水和CO2 ,進(jìn)口溫度30℃,出口溫度160～165℃。文中對(duì)泄漏原因進(jìn)行分析并提出了預(yù)防措施。

　　1 　檢驗(yàn)

　　對(duì)設(shè)備底部螺旋板外側(cè)3圈焊縫、螺旋板及其焊縫進(jìn)行化學(xué)成分、金相組織及斷口檢驗(yàn),對(duì)設(shè)備上部螺旋板外圈一層的螺旋板焊接接頭及其母材進(jìn)行金相組織和斷口檢驗(yàn),對(duì)熱側(cè)進(jìn)口處外筒體母材進(jìn)行金相組織檢驗(yàn),對(duì)螺旋板與外筒體連接部位的堵板進(jìn)行化學(xué)成分、金相組織檢驗(yàn),對(duì)換熱器冷側(cè)出口和進(jìn)口的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)成分分析和金相組織檢驗(yàn),對(duì)冷側(cè)液體進(jìn)行水樣分析。1. 1 　宏觀檢驗(yàn)

　　裂紋分布在換熱器的兩端,以底部外側(cè)最為嚴(yán)重,裂紋走向?yàn)闄M向。解剖換熱器后,發(fā)現(xiàn)在螺旋板的兩端約70 mm范圍內(nèi)有長度達(dá)50 mm的穿透性縱向裂紋,堵板上有不規(guī)則走向的較淺裂紋和點(diǎn)蝕痕跡。見圖1和圖2。

 

　　1. 2 　材料成分分析

　　對(duì)螺旋板、堵板等材料進(jìn)行化學(xué)成分分析,其結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)中1Cr18Ni9Ti的成分相符。1. 3 　金相分析

　　對(duì)螺旋板換熱器各部位進(jìn)行金相檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)外筒體板材心部有帶狀分布的TiN(圖3) ,堵板金相組織為奧氏體+馬氏體+帶狀分布的鐵素體(圖4)。分析可知:①螺旋板換熱器外筒體母材組織中TiN和Ti (CN)的出現(xiàn)表明該材料的冶金質(zhì)量差,當(dāng)TiN以夾雜物的形式出現(xiàn)并以鏈狀分布時(shí)對(duì)材料的抗蝕性是有害的,易造成材料開裂[1 ]。②1Cr18Ni9Ti的冷變形強(qiáng)化效應(yīng)較大,堵板組織中馬氏體的存在就是變形強(qiáng)化的結(jié)果,這會(huì)導(dǎo)致材料的內(nèi)應(yīng)力增加,奧氏體組織的穩(wěn)定性降低,對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感,尤其是在低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力條件下應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性增加。

　　1. 4 　斷口分析

　　對(duì)設(shè)備底部螺旋板外圈3層焊縫的試樣(包括螺旋板及其焊縫熱影響區(qū))的裂紋斷口進(jìn)行分析。斷口特征有以下共同點(diǎn):①斷面沒有宏觀塑性變形,粗糙,無金屬光澤,有腐蝕產(chǎn)物,表面起裂。裂紋穿晶擴(kuò)展呈樹枝分叉狀,見圖5。起裂都發(fā)生在與冷介質(zhì)接觸的一側(cè),在冷側(cè)流道的母材、焊縫附近發(fā)現(xiàn)大量未穿透裂紋,而熱側(cè)流道的裂紋均為穿透性。證明裂紋起始于冷側(cè),向熱側(cè)發(fā)展。②斷裂擴(kuò)展形貌主要是解理河流、臺(tái)階和二次裂紋,見圖6。③螺旋板式換熱器多處零部件發(fā)生開裂,分析認(rèn)為,這些開裂的部位不僅與冷介質(zhì)接觸而且存在應(yīng)力。其中,應(yīng)力主要是焊接殘余應(yīng)力和冷加工形變應(yīng)力。微觀斷口形貌顯示了應(yīng)力腐蝕破壞的特征。

　　1. 5 　產(chǎn)物及介質(zhì)

　　對(duì)冷側(cè)出口、冷側(cè)進(jìn)口垢物進(jìn)行X射線成分分析,發(fā)現(xiàn)垢物中的主要元素為Fe和O。在冷側(cè)出口,Fe和O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為67. 99 %和11. 95 % ,在熱側(cè)進(jìn)口, Fe和O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別81. 82 %和13. 28 %。對(duì)斷口產(chǎn)物進(jìn)行X射線結(jié)構(gòu)分析表明,斷口產(chǎn)物中含有大量的FeS ,估計(jì)這主要是換熱器內(nèi)部鋼板和焊縫上產(chǎn)生的裂紋穿透后,熱側(cè)介質(zhì)中的H2S與斷口金屬反應(yīng)的產(chǎn)物。冷側(cè)介質(zhì)的pH值為4. 87 ,其中Cl -和Fe3 +的質(zhì)量濃度分別為71 mg/ L和101 mg/ L ,經(jīng)X射線結(jié)構(gòu)分析可知,冷側(cè)進(jìn)口介質(zhì)中主要是Fe2O3 ,而冷側(cè)出口介質(zhì)中則含有Fe2O3、Fe3O4、碳以及鈣、鎂碳酸鹽。

　　2 　失效原因分析

　　從現(xiàn)有試樣的分析結(jié)果和該設(shè)備的運(yùn)行情況看,裂紋起始于螺旋板的冷側(cè),裂紋穿透后熱側(cè)介質(zhì)串入冷側(cè),熱側(cè)介質(zhì)中的硫化氫對(duì)腐蝕起了促進(jìn)作用,裂紋性質(zhì)符合1Cr18Ni9Ti在含Cl -介質(zhì)中高溫下(大于50℃)應(yīng)力腐蝕開裂的特點(diǎn)。因此,該螺旋板式換熱器的泄漏失效是典型的Cl -引起的應(yīng)力腐蝕開裂所致。

　　冷側(cè)介質(zhì)中存在的大量Cl -和Fe3 +可以導(dǎo)致1Cr18Ni9Ti發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,在大于80℃時(shí),介質(zhì)中大量的Fe3 +縮短了不銹鋼在Cl -介質(zhì)中發(fā)生應(yīng)力腐蝕的誘導(dǎo)期,對(duì)開裂起強(qiáng)烈的促進(jìn)作用[2 ]。這是導(dǎo)致?lián)Q熱器過早失效的主要原因。

　　螺旋板筒體母材金相組織中呈帶狀聚集分布的TiN對(duì)材料的抗蝕性有很大的影響,容易造成材料的開裂。而堵板組織中的馬氏體可以使材料的內(nèi)應(yīng)力增加,奧氏體組織的穩(wěn)定性降低,對(duì)應(yīng)力腐蝕極為敏感。

　　環(huán)境、材料和力學(xué)因素(靜態(tài)拉伸應(yīng)力)是材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的3個(gè)基本條件,對(duì)于Cr2Ni奧氏體不銹鋼來說,能引起應(yīng)力腐蝕開裂的常見特定介質(zhì)有氯化物、氫氧化物和連多硫酸等,較典型的就是Cl -引起的應(yīng)力腐蝕開裂,已有的研究結(jié)果證明,對(duì)于Cr2Ni不銹鋼,水中所含Cl -的質(zhì)量濃度在0. 2～10 mg/ L即可導(dǎo)致材料斷裂。此外,氧化性的金屬離子是強(qiáng)烈的致點(diǎn)蝕劑,金屬表面的點(diǎn)蝕坑可造成局部應(yīng)力集中,點(diǎn)蝕坑內(nèi)可形成閉塞區(qū),使該處的pH值下降和Cl -富集,提供了有利于應(yīng)力腐蝕裂紋的成核和擴(kuò)展的介質(zhì)———應(yīng)力條件。H2S和O2的存在,在一定的條件下可促進(jìn)敏化態(tài)的不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。螺旋板式換熱器的兩端具有縫隙結(jié)構(gòu),縫隙結(jié)構(gòu)也是導(dǎo)致不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕的重要裂紋源[3 ] ,其影響與點(diǎn)蝕相似。此外,pH值和溫度對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂的敏感性也有影響,試驗(yàn)和實(shí)踐證明,對(duì)于固溶態(tài)和敏化態(tài)的1828型不銹鋼,pH值為4時(shí)都有一個(gè)敏感峰值[2 ]。在22 %的NaCl中,1828型不銹鋼的裂紋擴(kuò)展速度從室溫的10 - 10 m/ s加速到140℃的10 - 7m/ s[2 ] ,隨溫度的升高,1828型不銹鋼的孔蝕數(shù)目也增加[4 ]。對(duì)應(yīng)于該螺旋板式換熱器的實(shí)際使用情況,其開裂部位大多位于溫度高于80℃的區(qū)域,且溫度越高開裂越嚴(yán)重。

　　焊縫區(qū)通常具有接近屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力[3 ] ,因此,該換熱器的螺旋板兩端有很大的周向焊接殘余應(yīng)力。近縫區(qū)母材的金相組織劣化使這些部位的抗應(yīng)力腐蝕能力下降,表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕裂紋主要是近縫區(qū)的橫向裂紋,裂紋向母材和焊縫方向發(fā)展,并穿透整個(gè)板材。由于螺旋板兩端焊縫的徑向收縮作用,使螺旋板的兩端母材承受了較大的彎曲應(yīng)力,表現(xiàn)為該處母材多處發(fā)生穿透性縱向裂紋。

　　綜上所述,該螺旋板式換熱器的焊縫裂紋為應(yīng)力腐蝕開裂,介質(zhì)中的Fe3 +和H2S等對(duì)加速應(yīng)力腐蝕裂紋的形核和裂紋擴(kuò)展起了促進(jìn)作用。

　　3 　預(yù)防措施及應(yīng)用效果

　　①Cl -主要來源于原料液中的水,對(duì)工藝用水進(jìn)行預(yù)處理,使其Cl -質(zhì)量濃度小于25 mg/ L ,同時(shí)控制水中鈣、鎂離子的質(zhì)量濃度,做好實(shí)時(shí)監(jiān)測。②Fe3 +可能為前段工藝設(shè)備腐蝕帶入,應(yīng)采取相應(yīng)措施加以控制,盡可能降低其質(zhì)量濃度。③改善焊接工藝,消除因焊接引起的殘余應(yīng)力。

　　該公司在制造和使用過程中采取以上預(yù)防措施后,更換后的同類換熱器從2002年使用至今未發(fā)生泄漏。